Контактное руководство
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения )
|
Контактное наведение относится к явлению , при котором на ориентацию клеток и стрессовых волокон влияют геометрические узоры, такие как нано/микробороздки на подложках или коллагеновые волокна в гелях и мягких тканях . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Это явление было открыто в 1912 г. [ 4 ] и терминология была введена в 1945 году, [ 5 ] но это с развитием тканевой инженерии [ когда? ] что исследователи обращают все большее внимание на эту тему, видя потенциал контактного руководства во влиянии на морфологию и организацию клеток . Тем не менее, биологические процессы, лежащие в основе контактного управления, до сих пор неясны. [ 6 ]
Контактное руководство по двумерным подложкам
[ редактировать ]Когда клетки высевают на плоские подложки, они обычно имеют случайную ориентацию. [ 7 ] [ 8 ] Однако субстраты с топографическими узорами влияют на ориентацию клеток, культивируемых на этих поверхностях, своими геометрическими признаками. Например, если подложка имеет нано/микроканавки, идущие параллельно друг другу, клетки ориентируются вдоль направления этих нано/микроканавок. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Исходя из этого, клетки, по-видимому, способны ощущать структурные характеристики своего окружения и, следовательно, реагировать, принимая ориентацию топографических стимулов. Аналогичный эффект можно получить, когда клетки культивируют на плоских поверхностях с линиями белков напечатанными сверху (к которым клетки могут прикрепляться), перемежающимися репеллентными линиями; в этом случае ячейки также выравниваются по шаблону. [ 12 ] [ 13 ]
Также было замечено, что на явление контактного направления на поверхностях с микроканавками влияет ширина канавок. Например, остеобластоподобные клетки выравниваются вдоль нанобороздок только для бороздок шириной более 75 нм. [ 14 ] Подобное поведение наблюдалось и с другими типами клеток, такими как фибробласты , которые выстраиваются вдоль этих топографических паттернов, когда бороздки шире 150 нм. [ 15 ] С другой стороны, слишком широкие канавки могут снизить эффект контактного направления. [ 16 ]
Контактное наведение в трехмерных структурах
[ редактировать ]Клетки могут ориентироваться в ответ на контактное руководство, когда они расположены внутри трехмерных структур, таких как коллагеновые гели, каркасы и мягкие ткани. В этих условиях геометрические сигналы, обеспечиваемые коллагеновыми или каркасными волокнами, способны влиять на ориентацию клеток. Например, было замечено, что эндотелиальные колониеобразующие клетки выстраиваются вдоль направления волокон, присутствующих в электропряденых каркасах. [ 17 ] Аналогично, коллагеновые волокна, присутствующие в коллагеновых гелях и мягких тканях, могут влиять на выравнивание клеток, обеспечивая наиболее важный стимул с точки зрения ориентации клеток. [ 18 ] [ 19 ]
Потенциал контактного руководства для тканевой инженерии
[ редактировать ]Недавние исследования подчеркнули важность выравнивания клеток для механических свойств и функциональности протезов, разработанных с использованием принципов тканевой инженерии . В настоящее время ученые исследуют механизмы и потенциал контактного управления для контроля выравнивания клеток, что в конечном итоге приведет к контролю их клеточных сил и некоторых аспектов ремоделирования коллагена.
Биологические механизмы, определяющие контактное руководство
[ редактировать ]Многие исследователи формулировали гипотезы о биологических механизмах, определяющих контактное наведение. В целом, сокращение клеток, напряжение волокон и фокальные спайки , по-видимому, играют важную роль. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] Недавно была разработана вычислительная модель, которая способна имитировать перераспределение ячеек и напряженных волокон поверх рифленых поверхностей. [ 23 ] Вкратце, предполагалось, что клетки, однажды посеянные, образуют фокальные спайки поверх гребней, а не над бороздками.
После формирования фокальные спайки производят сигнал, который начинает диффундировать в клетку, вызывая сборку стрессовых волокон. На этом этапе есть две разные возможности, в зависимости от размера канавки. С одной стороны, когда размер бороздок невелик, внутриклеточный сигнал, создаваемый фокальными спайками на гребнях, может гомогенно достигать всех мест в клетке. В этом случае сборка напряженных волокон изотропна , и эти волокна могут изотропно растягивать свое окружение, и, следовательно, результирующая форма ячейки является изотропной (без предпочтительного выравнивания).
С другой стороны, когда размер борозд относительно велик, внутриклеточный сигнал не может достичь мест клетки, расположенных над бороздками, поскольку диффузия ограничена. В результате стрессовые волокна формируются только вблизи гребней, и эти пучки актомиозина тянут свое окружение анизотропно . Благодаря анизотропному сокращению клеток стрессовые волокна и клетки выравниваются вдоль направления микробороздок. Для подтверждения этой теории необходимы дальнейшие эксперименты.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ван, Дж. Х.; Груд, ES (1 января 2000 г.). «Величина деформации и контактное руководство определяют ориентационную реакцию фибробластов на циклические штаммы субстрата». Исследование соединительной ткани . 41 (1): 29–36. дои : 10.3109/03008200009005639 . ISSN 0300-8207 . ПМИД 10826706 . S2CID 34511081 .
- ^ Провенцано, Паоло П.; Инман, Дэвид Р.; Элисейри, Кевин В.; Трир, Стивен М.; Кили, Патрисия Дж. (2008). «Трехмерная миграция клеток, опосредованная контактным наведением, регулируется Rho/ROCK-зависимой реорганизацией матрицы» . Биофизический журнал . 95 (11): 5374–5384. Бибкод : 2008BpJ....95.5374P . дои : 10.1529/biophysj.108.133116 . ПМК 2586586 . ПМИД 18775961 .
- ^ де Йонге, Ники; Кантерс, Франс М.В.; Баайенс, Фрэнк П.Т.; Бутен, Карлейн ВК (27 ноября 2012 г.). «Вызванная напряжением организация коллагена на микроуровне в инженерных тканевых конструкциях на основе фибрина». Анналы биомедицинской инженерии . 41 (4): 763–774. дои : 10.1007/s10439-012-0704-3 . ПМИД 23184346 . S2CID 14896115 .
- ^ Харрисон, Росс Грэнвилл (1912). «Культивирование тканей на посторонних средах как метод морфогенетического исследования» . Анатомическая запись . 6 (4): 181–193. дои : 10.1002/ar.1090060404 . S2CID 84547200 .
- ^ Вайс, Пол (декабрь 1945 г.). «Эксперименты по ориентации клеток и аксонов in vitro: роль коллоидных экссудатов в организации тканей». Журнал экспериментальной зоологии . 100 (3): 353–386. Бибкод : 1945JEZ...100..353W . дои : 10.1002/jez.1401000305 . ПМИД 21010856 .
- ^ Бальдаккини, Томмазо (31 октября 2019 г.). Трехмерное микропроизводство с использованием двухфотонной полимеризации . Уильям Эндрю. ISBN 978-0-12-817828-7 .
- ^ ЛЕСБЕРГ, В; ТЕРИЕТ, Дж; ВАНДЕЛЬФТ, Ф; ШОН, П; ФИГДОР, С; СПЕЛЛЕР, С; ВАНЛОН, Дж; ВАЛБУМЕРС, X; ЯНСЕН, Дж (сентябрь 2007 г.). «Порог, при котором размеры наноканавок подложки могут влиять на выравнивание и адгезию фибробластов». Биоматериалы . 28 (27): 3944–3951. doi : 10.1016/j.bimaterials.2007.05.030 . ПМИД 17576010 .
- ^ Ламерс, Эдвин; Фрэнк Уолбумерс, X.; Домански, Мацей; те Рит, Йост; ван Делфт, Falco CMJM; Латтге, Регина; Виннубст, Луи AJA; Гарденьерс, Хан Дж.Г.Э.; Янсен, Джон А. (апрель 2010 г.). «Влияние наноразмерных рифленых подложек на поведение остеобластов и отложение внеклеточного матрикса» (PDF) . Биоматериалы . 31 (12): 3307–3316. doi : 10.1016/j.bimaterials.2010.01.034 . ПМИД 20122723 .
- ^ Ламерс, Эдвин; Фрэнк Уолбумерс, X.; Домански, Мацей; те Рит, Йост; ван Делфт, Falco CMJM; Латтге, Регина; Виннубст, Луи AJA; Гарденьерс, Хан Дж.Г.Э.; Янсен, Джон А. (апрель 2010 г.). «Влияние наноразмерных рифленых подложек на поведение остеобластов и отложение внеклеточного матрикса» (PDF) . Биоматериалы . 31 (12): 3307–3316. doi : 10.1016/j.bimaterials.2010.01.034 . ПМИД 20122723 .
- ^ ден Брабер, ET; де Рюйтер, JE; Смитс, HTJ; Джинзель, Луизиана; фон Рекум, А.Ф.; Янсен, JA (июнь 1996 г.). «Количественный анализ пролиферации и ориентации клеток на субстратах с однородными параллельными поверхностными микробороздками». Биоматериалы . 17 (11): 1093–1099. дои : 10.1016/0142-9612(96)85910-2 . hdl : 2066/22837 . ПМИД 8718969 .
- ^ Уолбумерс, XF; Монаган, В.; Кертис, ASG; Янсен, Дж. А. (август 1999 г.). «Прикрепление фибробластов к гладкому и микрорифленому полистиролу». Журнал исследований биомедицинских материалов . 46 (2): 212–220. doi : 10.1002/(SICI)1097-4636(199908)46:2<212::AID-JBM10>3.0.CO;2-Y . ПМИД 10379999 .
- ^ Цимерман, Б.; Арнольд, М.; Улмер, Дж.; Блюммель, Дж.; Бессер, А.; Спатц, JP; Гейгер, Б. (2004). «Формирование фокальных комплексов волокон адгезии-напряжения, координируемых адгезивными и неадгезивными поверхностными доменами». Труды IEE - Нанобиотехнологии . 151 (2): 62–6. дои : 10.1049/ip-nbt:20040474 . PMID 16475844 .
- ^ Алфорд, Патрик В.; Несмит, Александр П.; Сейверд, Йоханнес Н.; Гросберг, Анна; Паркер, Кевин Кит (2011). «Сократимость гладких мышц сосудов зависит от формы клеток» . Интегративная биология . 3 (11): 1063–70. дои : 10.1039/c1ib00061f . ПМЦ 8388149 . ПМИД 21993765 .
- ^ Ламерс, Эдвин; Фрэнк Уолбумерс, X.; Домански, Мацей; те Рит, Йост; ван Делфт, Falco CMJM; Латтге, Регина; Виннубст, Луи AJA; Гарденьерс, Хан Дж.Г.Э.; Янсен, Джон А. (апрель 2010 г.). «Влияние наноразмерных рифленых подложек на поведение остеобластов и отложение внеклеточного матрикса» (PDF) . Биоматериалы . 31 (12): 3307–3316. doi : 10.1016/j.bimaterials.2010.01.034 . ПМИД 20122723 .
- ^ ЛЕСБЕРГ, В; ТЕРИЕТ, Дж; ВАНДЕЛЬФТ, Ф; ШОН, П; ФИГДОР, С; СПЕЛЛЕР, С; ВАНЛОН, Дж; ВАЛБУМЕРС, X; ЯНСЕН, Дж (сентябрь 2007 г.). «Порог, при котором размеры наноканавок подложки могут влиять на выравнивание и адгезию фибробластов». Биоматериалы . 28 (27): 3944–3951. doi : 10.1016/j.bimaterials.2007.05.030 . ПМИД 17576010 .
- ^ Чарест, Джозеф Л.; Гарсия, Андрес Х.; Кинг, Уильям П. (2007). «Выравнивание и дифференциация миобластов на субстратах клеточных культур с микромасштабной топографией и модельной химией». Биоматериалы . 28 (13): 2202–2210. doi : 10.1016/j.bimaterials.2007.01.020 . ПМИД 17267031 .
- ^ Фиоретта, Эмануэла С.; Симоне, Марк; Смитс, Антал ИПМ; Баайенс, Фрэнк П.Т.; Бутен, Карлейн ВК (10 марта 2014 г.). «Дифференциальный ответ эндотелиальных и эндотелиальных колониеобразующих клеток на электропряденых каркасах с разными диаметрами микроволокон». Биомакромолекулы . 15 (3): 821–829. дои : 10.1021/bm4016418 . ПМИД 24502702 .
- ^ Дулен, Джаспер; Дешпанде, Викрам С .; Кантерс, Франс М.В.; Баайенс, Фрэнк П.Т. (1 октября 2012 г.). «Влияние целостности матрицы на ремоделирование напряженных волокон в 3D». Биоматериалы . 33 (30): 7508–7518. doi : 10.1016/j.bimaterials.2012.06.103 . ISSN 1878-5905 . ПМИД 22818650 .
- ^ де Йонге, Ники; Кантерс, Франс М.В.; Баайенс, Фрэнк П.Т.; Бутен, Карлейн ВК (27 ноября 2012 г.). «Вызванная напряжением организация коллагена на микроуровне в инженерных тканевых конструкциях на основе фибрина». Анналы биомедицинской инженерии . 41 (4): 763–774. дои : 10.1007/s10439-012-0704-3 . ПМИД 23184346 . S2CID 14896115 .
- ^ Барокас, В.Х.; Транквилло, RT (1997). «Анизотропная двухфазная теория тканеэквивалентной механики: взаимодействие между клеточной тягой, деформацией фибриллярной сети, выравниванием фибрилл и управлением контактом клеток». Журнал биомеханической инженерии . 119 (2): 137–45. дои : 10.1115/1.2796072 . ПМИД 9168388 .
- ^ Виглиотти, А.; Макмикинг, Р.М.; Дешпанде, В.С. (11 марта 2015 г.). «Моделирование цитоскелетной реакции клеток на рифленые или узорчатые подложки» . Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105): 20141320. doi : 10.1098/rsif.2014.1320 . ПМЦ 4387521 . ПМИД 25762648 .
- ^ Чжоу, Фэн; Юань, Линь; Хуан, Хэ; Чен, Хун (13 сентября 2009 г.). «Феномен «контактного наведения» на поверхности с нано-микробороздчатым рисунком и физиологические эффекты клеток». Китайский научный бюллетень . 54 (18): 3200–3205. Бибкод : 2009ЧСБу..54.3200З . дои : 10.1007/s11434-009-0366-1 . S2CID 98111688 .
- ^ Виглиотти, А.; Макмикинг, Р.М.; Дешпанде, В.С. (11 марта 2015 г.). «Моделирование цитоскелетной реакции клеток на рифленые или узорчатые подложки» . Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105): 20141320. doi : 10.1098/rsif.2014.1320 . ПМЦ 4387521 . ПМИД 25762648 .